高爐熱風(fēng)爐余熱回收中的換熱器設(shè)計(jì)

1高溫風(fēng)系統(tǒng)余熱回收技術(shù)的應(yīng)用鋼鐵產(chǎn)業(yè)是我國的一項(xiàng)主要經(jīng)濟(jì)技術(shù)。它不僅是一個能源嚴(yán)重的家庭，也是一個污染嚴(yán)重的家庭。我國鋼鐵企業(yè)噸鋼綜合能耗比國際先進(jìn)水平高出很多,因此鋼鐵企業(yè)節(jié)能降耗對企業(yè)自身、環(huán)境保護(hù)和國民經(jīng)濟(jì)都有非常重要的意義。高爐熱風(fēng)爐的煙氣溫度多在300℃以上,對其顯熱的回收可以提高熱風(fēng)溫度,降低高爐焦比。高溫風(fēng)操作對降低焦比、降低生鐵成本有重要的影響。對熱風(fēng)爐的余熱回收,現(xiàn)在普遍采用熱管式換熱器。熱管本身啟動性好、內(nèi)阻低,這些獨(dú)特的性能使得該種換熱器在這種場合有著很好的應(yīng)用效果。本文介紹兩種熱管換熱器,整體式換熱器和分體式換熱器,并對比兩種換熱器在高爐熱風(fēng)爐余熱回收中的優(yōu)缺點(diǎn),并通過實(shí)例加以說明。2主缸的結(jié)構(gòu)形狀根據(jù)現(xiàn)場設(shè)備布局的限制條件,熱管換熱器的結(jié)構(gòu)形式可分為兩種:整體式換熱器和分體式換熱器。2.1管與中間管板的連接整體式換熱器設(shè)備由煙氣側(cè)箱體、煤氣側(cè)箱體、空氣側(cè)箱體、換熱管(熱管)及管板構(gòu)成。設(shè)備一般采用立式布置結(jié)構(gòu),換熱管垂直布置。熱側(cè)和冷側(cè)換熱面通過中間管板分隔開?？諝鈧?cè)換熱管與中間管板的連接采用法蘭密封;煤氣側(cè)換熱管與中間管板的連接采用焊接,防止煤氣泄露。其特點(diǎn)如下:(1)傳熱效率高,單位傳熱面積大;(2)不需要輔助動力;(3)通過合理設(shè)計(jì),其壓降可減至相當(dāng)?shù)偷某潭?(4)無運(yùn)動部件,運(yùn)行安全性高;(5)結(jié)構(gòu)簡單,可以按高爐大小及現(xiàn)場條件單獨(dú)進(jìn)行設(shè)計(jì);(6)投資少,運(yùn)行費(fèi)用低,維修量小;(7)大直徑空氣和煤氣管道的往復(fù)造成介質(zhì)運(yùn)行的阻力加大;(8)換熱器的大型化和清灰比較困難;(9)在250～350℃的溫度區(qū)間內(nèi),熱管內(nèi)除水外尚未發(fā)現(xiàn)有更合適的工質(zhì)供選用,而水的蒸汽壓力隨溫升呈指數(shù)規(guī)律增加,高溫時管殼易破裂,所以必須采用安全的監(jiān)控措施和嚴(yán)密的操作規(guī)程;(10)設(shè)備的一體化造成換熱管的長度大,設(shè)備制造和運(yùn)輸?shù)入y度均較大。2.2氣調(diào)的側(cè)放熱面分體式換熱設(shè)備由煙氣側(cè)箱體、煙氣側(cè)換熱管排,煤氣側(cè)箱體、煤氣側(cè)換熱管排,空氣側(cè)箱體、空氣側(cè)換熱管排以及中間連接管等部分構(gòu)成。整個設(shè)備熱側(cè)介質(zhì)為熱風(fēng)爐尾部煙氣,冷側(cè)介質(zhì)分別為高爐煤氣和助燃空氣,將煙氣側(cè)吸熱換熱面和煤氣側(cè)以及空氣側(cè)放熱換熱面分別布置在彼此獨(dú)立的通道內(nèi)。煙氣側(cè)吸熱面分為兩部分,吸收的煙氣熱量通過連通管分別傳遞給煤氣側(cè)放熱面和空氣側(cè)放熱面,進(jìn)而對流放熱,將熱量傳遞給煤氣和空氣。分體式換熱器除了具有整體式換熱器的基本優(yōu)點(diǎn)外,還可以滿足設(shè)備大型化的要求。其吸熱面和放熱面是分開的,換熱管不用做得很長,就能解決大型設(shè)備使用整體式換熱器需要過長換熱管的問題;由于各個換熱面彼此獨(dú)立布置在不同的通道中,因此分體式換熱器可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳熱,將換熱面直接布置在各介質(zhì)的通道上,避免了復(fù)雜的管道系統(tǒng)的出現(xiàn),設(shè)備運(yùn)行阻力小,同時,煤氣側(cè)箱體僅有聯(lián)管和煙氣側(cè)箱體連接,可以更方便地設(shè)計(jì)密封結(jié)構(gòu),對煤氣這種易燃易爆介質(zhì)的密封要求方面,能更安全的實(shí)現(xiàn)。另外分體式換熱器可以用一種熱源加熱多種冷源,在熱風(fēng)爐的余熱回收上,可以用煙氣的顯熱同時加熱燃料和助燃空氣兩種冷源,能最大幅度回收熱量,盡可能少地排放熱污染,提高能源利用率。分體式換熱器在高爐熱風(fēng)爐的余熱回收方面優(yōu)點(diǎn)明顯大于整體式換熱器。分體式換熱器在高爐熱風(fēng)爐的余熱回收系統(tǒng)使用原理見圖1。當(dāng)然分體式換熱器也有很多限制因素,對分離距離和高度有一定要求,中間聯(lián)管有一定的熱損失,現(xiàn)場施工量大而且必須按照壓力容器規(guī)定執(zhí)行,施工完成需接受當(dāng)?shù)赜嘘P(guān)部門檢查,確認(rèn)合格后才能投入使用。2.3比較分析取兩個較相近的工況進(jìn)行對比,具體參數(shù)如下。(1)設(shè)備總重量及運(yùn)輸方式已知:煙氣量12.75萬m3/h,煤氣量8.5萬m3/h,空氣量5.55萬m3/h。煙氣溫度320℃,煤氣溫度35℃,空氣溫度20℃。設(shè)計(jì):考慮到煙氣露點(diǎn)溫度、運(yùn)行阻力、制造運(yùn)輸?shù)纫蛩?對熱力參數(shù)計(jì)算后,將其設(shè)計(jì)參數(shù)列表見表1。通過施工圖設(shè)計(jì)后,設(shè)備總重量為154.2t。運(yùn)輸方式:分體運(yùn)輸、現(xiàn)場組裝。現(xiàn)場主要施工量:吊裝、組對、壓力試驗(yàn)、抽真空、灌料等。(2)設(shè)備選型已知:煙氣量12.5萬m3/h,煤氣量8萬m3/h,空氣量5.7萬m3/h。煙氣溫度300℃,煤氣溫度35℃,空氣溫度15℃。設(shè)計(jì):其設(shè)計(jì)參數(shù)見表2。通過施工圖設(shè)計(jì)后,設(shè)備總重量為:48.44t。運(yùn)輸方式:主體整裝運(yùn)輸,其他附件分體運(yùn)輸。現(xiàn)場主要施工量:吊裝、煙道連接、氣壓試驗(yàn)。(3)比較分析3分體式熱管換熱器的應(yīng)用隨著現(xiàn)在能源使用情況的發(fā)展,大型化的生產(chǎn)更能提高能源的利用率?，F(xiàn)代高爐均朝著大型化方向發(fā)展,分體式換熱器的使用將越來越普及。盡管分體式換熱器的投資大,現(xiàn)場工作量大,但其優(yōu)良的熱量回收及較低的運(yùn)行費(fèi)用,以及整體式換熱器自身的局限性,決定了分體式換熱器將更多地代替整體式換熱器,成為高爐熱風(fēng)爐余熱回收的首選設(shè)備。分體式換熱器還有很大的發(fā)展空間,其現(xiàn)場工作的簡化和操作性能的提高以及對現(xiàn)場工作質(zhì)量保證的技術(shù)方式革新等方面的提高,均能促進(jìn)分體式熱管換熱器的應(yīng)用和發(fā)展。(1)換熱量的對比。由于分體式換熱器的設(shè)計(jì)過程中受影響的條件較整體式少,能夠最大限度地將煙氣的熱量回收,因此其換熱量比整體式換熱設(shè)計(jì)要大很多。且由于設(shè)計(jì)方式靈活,其設(shè)備阻力較整體式換熱器要小得多。(2)設(shè)備質(zhì)量對比。由于分體式換熱器的熱側(cè)換熱和冷側(cè)換熱距離較遠(yuǎn),需要大量的中間聯(lián)管及結(jié)構(gòu)件等附件,造成分體式換熱器的設(shè)備質(zhì)量比整體式換熱器的質(zhì)量要大得多,同理,初期投資的費(fèi)用也要比整體式換熱器大很多。(3)運(yùn)輸和安裝對比。分體式換熱器的設(shè)備需要現(xiàn)場注料,決定了其結(jié)構(gòu)必須是分體運(yùn)輸,現(xiàn)場組對。此結(jié)構(gòu)方式運(yùn)輸容易,但現(xiàn)場工作量大,加工質(zhì)量不好保證。整體式換熱器主體設(shè)備可在加工廠一次完成,質(zhì)量上能有所保證,但設(shè)計(jì)過程中需要考慮設(shè)備運(yùn)輸極限,本體設(shè)備的設(shè)計(jì)不能